Введение к работе
Актуальность проблемы
Исследование сгойкооти твердых тол к воздействию тепловых нагрузок составляет содорзсаниэ проблемы термической прочности, актуальность кото]юй возросла особенно в последние десятилетия в связи с созданием мощных излучателей и их использованием в технологических операциях. В различных процессах обоаботки материалов концентрированными потоками энергии используется тепловое действие плезменного потоіса, лазерного или электронного лучей. В этих условиях пролоходп? окачкообраэпое азмененио температуры поверх-яоети тзордого тела или граничащей о пей среды - так называемый готовой удар - a raise объемного температурного удара при сач-кообразпом псвшеппп температуры объема тела от начальной Т0 до значения Tj.
Появляется: болызой круг вопросов, требующих описания физи-чэсклх закономерностей тормонапрягонного состояния, возникающего в твердых толах, лсштпващях рззкио топловиэ воздействия. Подобию) исследования оказались необходимыми, в частности, для разработай катодов 'применения'лазеров в технологических операциях (резание, сварка); для к. ^ешш условий работы самих лазеро-активных материалов (отекла о неодимом, рубил), поскольку световое рлзруаешго этих материалов ограничивает предельную ыоздооть = лазеров; при исследовании синтеза а свойств теплостойких (торгю-этабпльшгх) полимеров'.п условиях радиаці^шюго облучения или геїяоратурянх перепадов; в криогенной техяико и т.д."Значительные но величино теплое.о импульсы, передаваемые твердому телу например, лучом лазера-алп другим путем при действии рззко лесгационар-шго температурного поля способны вызвать ыодлуо волну напряжений, достаточную для образования трещин в хрупких толах. В последане 'ода появилось много работ по этому вопросу в связи с использования лазерной техники. Описан характер разрушения в керамических іатеріюлах, а ионных кристаллах, в металлах, гдо протекает ряд яв-еоний, прпводясдх к упрочению. Многочисленные эксперименты показа-га, что при облучения интенсивными световыми потоками прозрачных шердых тел, как яеоргаппчеокое силикатное стекло, полимеры (полд-іетилметакрилат, полиотир.л, поликарбонат п др.) в них возникают
большие градиенты температур, сопровождающиеся движением чаотпц твердого тела при быстром тепловом расширении (или сжатия) и вызывающие появление термоупругпх волн'. В связи 6 этим развитие теоретических методов оценок термической прочности твердых тел в условиях теплового удара при температурном или тепловом нагревах, или вагреве средой приобретает ванное значение.
Указанная проблема ооотавляет одно из направлений термомэха-ники, состоящее в нахождении аналитических решений конкретных модельных зі ач тер^оупругости в динамической связанной а несвязанной постановках в рамках классической феноменологии Фурье о бесконечной скорости распространения теплоты в твердых телах. Истоки теории относятся к середине прошлого века к работай Дагакеля, ': позже Неймана и, начиная с 50-х годов наиего столетия, развиваются в исследованиях В.И.Даниловской, А.Д. Коваленко, Я.С. Подстра-гача, J0.M. Кодяно, А.Г, Шаскова, В.А. Колпапшкова, С.Ю. Ядовок^го, Э.М. Шефтера, В.Г, Андреева» В.А, Щіткова, Е.Б. Попова, В.В, Аппо-лонова и др.
Полученные ранее рядом авторов роашиз соответствусзіх динамических задач термоупругооти доказывают, что при очень бдатрнх нагревах в твердых телах возаикапт кратковременные темпорагуряыз (динамические) напряжение, величина п . арзктор изменения которік зависят от физических свойств материала ц условие теплообмена. В ряде случаев эти напряжения могут достигать значительной величина и привести к приповерхносїноцу разрушению материала. Ращение этих же задач без учета инерционных членов в уравнениях двишішя, то. есть в рамках отатической теории термоупругости (квазиотатика) но позволяют выявить кратковременные напряжения, так кок в рассыог-, ренных случаях теплового или температурного шгружоиия приводят к нулевым напряжениям. Особый интерес представляют сравнительно'новые задачи динамичоокой тераоупругости в областях о двикущтшся во времени границами, появившееся в термоыеханика в последила годы. Изменение толщшш твердого тела мояот происходить воледотвио выгорания материала иа его поверхности, либо плавления, о непрерывны:^ вдуванием расплавленной-застп, либо 8а очат поворхноотного разрушения, подобное движение ыокет иивтьлесго при использовании,,.. , электрических разрядов, явления электрнчёс..ого-взрыва проводников ж других процессов, характеризующихся выоокой температурой. J, ?''"'
Указанные (и подобные им) случаи ыоделирунхгоя упругим полу-
пространством с равномерпо движущейся границей, наиболее ва^-пим в практпчооком отновешти заколом, учитывал, что лкбой другой закон движения границы может быть аппроксимирован линейными функциями времени; кроме того, длительность динамических эффектов состовллст малке времена (но весьма важные для со:сранепил 2як нарусенші сплошности внутренних частей твердого тела), когда линейный.функции времени наиболее точно опя-сшзаго возможное перемещение границы термонагруаенной области.
Цель работы
Цзлья диссертации является исследование термонапряженного состояния твердых тел в условиях теплового удара в рамках модельных представлений динамической термоупругости. Более конкретно, ото означает:
-
исследование динамических эффектов в тверддк телах о двидукклиоя границами в условиях взаимодействия с интенсивными потоками опоргпи;
-
гаучэикэ влпяппя скорости движения границы на характер изменения дшіампчооквх панрягэний;
-
расчет скачков на фронте гермоупругой волям напряжения чорез вносила условия нагрева;
-
изучошіз дшт«іпзс:;ой рєакцгп твердого тела под действием потока лучистой онергп.» постоянной интенсивности;
-
.ясоледовеше температурных лолоЯ п динамических температурных напряжений в'условиях интенсивного охлаздегаш и нагревания, с постоянным темпом.
Епучаоя новизна работы
Проведен'ппрпшЛ сравнительный"анализ динамических эффектов в массивных телах..с пзмонящойся во времена границей в условиях пзшшодеЗствая о пегєпснвіцдні потеками энергии. Иссле-дорр.пц режимч: температурного, нагрева, теплового нагрева (теплово!! поток однородный, импульсный, пульсируидпй) п нагрева средой.
Исследовано влияние скорости движения границы области на гермоиащиконноо состояние во внутренних точках.
Получена соркя аналитических решений краевых задач нестационарной теплопроводности в области с двииущвйся границей на осново обобщенного теплої:го потенциала простого слоя, модифицированного применительно к уїсазанпому классу тепловых задач в нецшцшдрическвя областях.
Рассмотрены данам:ічесі;ио задачи для упругого полупространства, находящегося под действием потока лучистой онергвп (по закону Бугарс-Яакберта), а такав в условиях охкавдоаюі в награвання о постояншм tolbiom. Проведен физические анализ тормонапряконного;состояния с указанаих случаях нопаоторшхчес-кого иагруяеши н виявлена роль параметров, определяющие интенсивность нагрева (или охлаздонкя) границы пседздуемои" области.
Бглвдол»ш* расчотннз соотпоаения для скачков канрякояий . на фронте тэр^оупругой воліш через внешние условия нагрева и показано, что в ряде случаев может бить получено верхняя оценка динамических термоудругих напряжений по даниш доходней крчовоіі задачи без необходимости ео полного реиошш. Последнее представляет практически! шітерео для прогнозирох-аяия терио-прочиостинх свойств среды.
Научно-практическая зясчуиооуь работн
В работе получена ьшшт в практическом и в теоретическом отношениях информация о физических ваконоыерноотях терио-налряжешюго состояния, возникающего в.твердих телах, испытывающих резкио тепловые воздействия,
Найдешше соотношения могут би^'и использованы при разработке методов применения лазеров в тохнологичео.шх операциях, и при расі о к» самых лазороактпвных материалов, а такш при исследовании синтеза и свойств теплостойких (уерыостабкльних) полимеров в условиях'резких температурных керзкадов (например, при создании теплоизоляционных полимерных'материалов, сохраняющих эксплуатационные свойства при криогешшх телаюра-турах), а таїшз в вопросах термоотабшшзащаі полимерных систем прс сохранения ех прочниутннх овойств.
Аиробацпя работы
Материалы диссертации докладывались на Всесокшом секз-каро по термомехаакке (Мооква, Университет им. Баумана, 1990 г.); на чтениях по термомеханике в Институте высоких температур (Мооква, 1991 г.); на 28 Межреспубликанском семи-' наре "Актуальные проблемы прочности" (Е .логодский нолитехни~; чеекпй институт, г. Вологда, 1992 г.), ка городской ыаучнбм сешчаре при кафедре выошой и прикладной математике МИТХТ им. Ломоносова (Москва, 1990 г.)
-3^
Публикация По темо диссертации опубликовано 7 работ.
Диссертация ооотокт та введения, четырех главу выводов я сплоїш іштпруомой литературы*
Работа содержит 19? отраяиц машинописного текота, 54 ри-оуикп, сппока литературы ез 99 наименований, в том числе 17 зарубежных авторовг
